Extremely Low Frequency

Je geringer die Frequenz ${\displaystyle f}$ einer elektromagnetischen Welle, umso größer die zugehörige Wellenlänge ${\displaystyle \lambda }$, die sich aus Frequenz und der (näherungsweise konstant angenommenen) Ausbreitungsgeschwindigkeit ${\displaystyle c}$ (Lichtgeschwindigkeit) errechnet:

${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{f}}}$

Während die Wellenlängen im Bereich der Funkfrequenzen von etwa einem Millimeter (Radar) bis einigen hundert Metern (Mittelwelle) reichen, liegen sie bei ELF-Wellen im Bereich von mehreren tausend Kilometern Länge.

Ein Viertelwellenstrahler oder eine abgestimmte Dipolantenne hätte bei ELF-Wellen einige Hundert Kilometer Länge. Solche Sendeantennen könnten nur äußerst schwer realisiert werden. Deshalb wird in diesem Frequenzbereich mit einem Bodendipol gesendet.

Neben technisch erzeugten Signalen existieren auch natürlich vorkommende ELF-Wellen. Auf der Erde entstehen charakteristische Frequenzen von etwa 7 bis 8 Hz als sogenannte Schumann-Resonanzen, die durch globale atmosphärische Störungen wie Blitzentladungen (Sferics) angeregt werden.

Messungen der Huygens-Sonde auf dem Saturnmond Titan im Jahr 2005 deuten darauf hin, dass vergleichbare natürliche ELF-Phänomene auch außerhalb der Erde existieren. Mit dem Permittivitäts-, Wellen- und Altimetrie-Analysator (PWA) wurde während des Abstiegs eine ausgeprägte extrem niederfrequente Eigenmode bei etwa 36 Hz registriert. Die Auswertung der Daten spricht gegen instrumentelle Artefakte oder atmosphärische Blitze als Ursache und legt eine Schumann-ähnliche Resonanz in der Titan-Ionosphäre nahe.^[4]

Im Unterschied zur Erde wird diese Resonanz auf Titan vermutlich nicht durch Blitzaktivität, sondern durch die Wechselwirkung der Ionosphäre mit dem mitrotierenden Plasma der Saturn-Magnetosphäre angeregt. Aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit der Titan-Oberfläche können ELF-Wellen zudem in den Untergrund eindringen und möglicherweise an Grenzschichten zu einem vermuteten unterirdischen Ozean reflektiert werden.^[5]

ELF-Wellen werden im Besonderen für die U-Boot-Kommunikation eingesetzt, da diese elektromagnetischen Wellen aufgrund ihrer niedrigen Frequenz eine sehr große Bodenwellen-Reichweite besitzen und im schlecht leitenden Meerwasser auch nach größerer Eindringtiefe noch nachweisbar sind.^[4]

Allerdings sind mit derart niedrigen Frequenzen nur sehr geringe Datenübertragungsraten möglich. Diese soll in den 1970er Jahren beim Seafarer-System der US-Navy bei rund 10 Bit je Minute gelegen haben, was jedoch ausreicht, um zahlreiche in Form sehr kurzer Zeichengruppen kodierte Befehle zu übermitteln.

Nachweislich existieren bzw. existierten derzeit nur drei ELF-Sender:

• für das im Jahr 2004 stillgelegte amerikanische System Sanguine mit der Sendefrequenz 76 Hz die Sendeanlagen
  • am Clam Lake, Wisconsin^[5]
  • am Escanaba River State Forest, Michigan
• der Sender des russischen Systems ZEVS (Sendefrequenz 82 Hz) in der Nähe von Murmansk.

Da Frequenzen unter 9 kHz wie der ELF-Bereich nicht unter die Richtlinien der ITU fallen, darf man in zahlreichen Ländern (allerdings nicht in Deutschland) im ELF-Bereich einen Sender ohne Lizenz betreiben, sofern er keine Oberwellen mit Frequenzen über 10 kHz erzeugt. Allerdings dürfte ein solcher Sender mit den für Amateure in der Praxis realisierbaren Antennen nur eine Reichweite von höchstens einigen Kilometern haben.

Typisches ELF-Spektrum.

Für den Empfang sehr tiefer Frequenzen verwendet man vorzugsweise magnetische (induktive) Antennen, da diese relativ unempfindlich gegenüber Funkstörungen sind. Außerdem kann der Abstand zum Erdboden gering sein, weil dieser unmagnetisch ist.

Wie im Bild gezeigt, können das für höhere Frequenzen oberhalb 1000 Hz Luftspulen mit hunderten Windungen sein. Für sehr tiefe Frequenzen unter 100 Hz versieht man die Spulen mit einem Weicheisenkern, um die Empfangsspannung zu erhöhen (siehe Ferritstabantenne). Magnetische Antennen besitzen eine Richtwirkung.

Will man nur eine Frequenz empfangen, so kann die Empfindlichkeit durch Parallelschaltung eines Kondensators geeigneter Größe erheblich gesteigert werden. Die Bandbreite des so gebildeten Schwingkreises kann sehr gering sein (wenige Prozent der Mittenfrequenz).

Drahtantennen, die vorzugsweise auf elektrische Felder reagieren, sind aus verschiedenen Gründen schlecht geeignet, können aber durch Resonanztransformatoren wirkungsvoll an die Empfangselektronik angepasst werden: Sie sind meist erheblich kürzer als das Optimum 1/4 der Wellenlänge und dementsprechend hochohmig. Daher werden Vorverstärker hoher Eingangsimpedanz benötigt.^[6] Waagerechte Dipolantennen mit einer Höhe über dem (leitfähigen) Erdboden, die notwendigerweise im Vergleich zur Wellenlänge gering ist, besitzen eine hohe Dämpfung.

Zum Empfang von Extremely Low Frequency kann neben analog arbeitenden Empfängern auch ein Personal Computer oder ein Mikrocontroller mit integrierter Soundkarte bzw. Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt werden. Die Signale werden mit einer Spule empfangen. Eine Software kann z. B. eine FFT-Analyse ausführen und ein Spektrogramm darstellen.

Die Störquellendichte nimmt zu niedrigen Frequenzen hin deutlich zu. Zum einen bedeutet die große Reichweite, dass auch weit entfernt liegende Störquellen den Empfang beeinträchtigen können. Zum anderen liegen diese Frequenzen in der Nähe von Gleichfeldern, deren Schwankungen Seitenbänder im ELF-Bereich erzeugen.

• Stromversorgung 16…17 Hz (Bahnstrom), 50 Hz, 60 Hz
• Schumann-Resonanz 7…8 Hz
• Schwankungen des Erdmagnetfeldes
• Sonnenwinde
• Atmosphärische Störungen.

Das Frequenzspektrum menschlicher Gehirnströme, sichtbar gemacht im EEG, liegt ebenfalls im Bereich von 0 bis 50 Hz. Prinzipiell sind Wechselwirkungen zwischen starken elektromagnetischen Feldern und EEG-Mustern bei einigen an der Justus-Liebig-Universität Gießen durchgeführten Experimenten nachgewiesen worden. Dabei trat Dämpfung^[7] oder Aktivitätssteigerung^[8][9] auf oder es war kein Effekt auf das EEG feststellbar. Die EEG-Veränderungen waren bei diesen Experimenten stets symptomlos.^[9][10]

• BEXUS #BEXUS 30